USA teadlased on loonud nanoosakesed, mis kiirgavad toatemperatuuril superfluorestsentsvalguse impulsse. Ebatavaliselt on kiiratav valgus Stokesi vastane nihe, mis tähendab, et selle lainepikkus (ja seega suurem energia) on lühem kui valguse lainepikkus, mis käivitab reaktsiooni – seda nähtust nimetatakse üleskonversiooniks. Uued nanoosakesed, mille meeskond avastas teistsugust optilist efekti otsides, võivad võimaldada luua optilistes ahelates uut tüüpi taimereid, andureid ja transistore.
"Sellised intensiivsed ja kiired heitmed sobivad suurepäraselt paljude teedrajavate materjalide ja nanomeditsiini platvormide jaoks," ütles meeskonna juht Shuang Fang Lim of Põhja-Carolina osariigi ülikool ütleb Füüsika maailm. "Näiteks on üleskonverteeritud nanoosakesi (UCNP-sid) laialdaselt kasutatud bioloogilistes rakendustes, alates taustmüravabast biosenseerimisest, täppis-nanomeditsiinist ja süvakoepildist kuni rakubioloogia, visuaalse füsioloogia ja optogeneetikani."
Varjestuselektronide orbitaalid
Superfluorestsents tekib siis, kui materjali mitu aatomit kiirgavad samaaegselt lühikese intensiivse valguspuhangu. See kvantoptiline nähtus erineb isotroopsest spontaansest emissioonist või normaalsest fluorestsentsist, seda on toatemperatuuril raske saavutada ja see ei kesta piisavalt kaua, et olla kasulik. UCNP-d on aga erinevad, ütleb meeskonnaliige Gang Han Euroopa Massachusettsi ülikooli Chani meditsiinikool. "UCNP-s kiirgab valgust 4f elektronide üleminekud, mida kaitsevad kõrgemal asuvad elektroniorbitaalid, mis toimivad "kilbina", võimaldades superfluorestsentsi isegi toatemperatuuril, "selgitab Han.
Uues töös täheldas meeskond superfluorestsentsi ioonides, mis seostuvad üksteisega neodüümiiooniga tihendatud lantaniidiga legeeritud UCNP-de ühes nanoosakeses. Erinevalt superfluorestsentsist teistes materjalides, nagu kõrge järjestusega perovskiit-nanokristallid või pooljuhtide kvantpunktide komplektid, mis kasutavad iga nanoosakest emitterina, on lantaniidiga legeeritud UCNP-des iga lantaniidiioon ühes nanoosakeses individuaalne emitter. "See emitter saab seejärel suhelda teiste lantaniidiioonidega, et luua sidusus ja võimaldada Stokesi nihkevastast superfluorestsentsi nii juhuslikes nanoosakeste komplektides kui ka üksikutes nanokristallides, mis on kõigest 50 nm suurusel väikseimad superfluorestsentskeskkonnad, mis eales loodud." Lim ütleb.
Sünkroniseerimine ühtsesse makroskoopilisse olekusse
"Superfluorestsents tuleneb nanoosakeste ergastatud ioonide emissioonifaaside makroskoopilisest koordineerimisest pärast ergastusenergia ladestumist," lisab meeskonnaliige Kory Green. "Laserimpulss ergastab nanoosakeses olevaid ioone ja need olekud ei ole alguses koherentselt organiseeritud.
"Superfluorestsentsi ilmnemiseks peab see algselt korrastamata ioonide kogum enne emissiooni sünkroniseerima ühtsesse makroskoopilisse olekusse. Selle koordineerimise hõlbustamiseks tuleb hoolikalt valida nanokristalli struktuur ja neodüümiioonide tihedus.
Üleskonverteerivad nanoosakesed võimaldavad hiirtel näha infrapunakiirgust
Avastus, millest meeskond teatas Looduse fotoonika, valmistati juhuslikult, samal ajal kui Lim ja kolleegid üritasid luua materjale, mis lasevad – st materjale, milles ühe aatomi kiiratav valgus stimuleerib teist kiirgama rohkem sama valgust. Selle asemel täheldasid nad superfluorestsentsi, mille käigus algselt sünkroniseerimata aatomid joonduvad, seejärel kiirgavad valgust koos.
"Kui ergastasime materjali erineva laseri intensiivsusega, avastasime, et see kiirgab iga ergastuse korral korrapäraste ajavahemike järel kolm superfluorestsentsi impulssi, " ütleb Lim. “Ja impulsid ei lagune – iga impulsi pikkus on 2 nanosekundit. Nii et UCNP ei näita mitte ainult superfluorestsentsi toatemperatuuril, vaid teeb seda ka kontrollitaval viisil. See tähendab, et kristalle saab kasutada näiteks taimerite, neurosensorite või optiliste transistoridena fotoonilistes integraallülitustes.
